第三章水文学 河流ppt课件.ppt

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1、水文学,西南大学 地理科学学院,主讲人：卞鸿雁,2014年10月,（Hydrology）,河流、水系和流域,河流的水情要素,河流的补给,3.1,3.2,3.3,第三章 河 流,河川径流的变化,河水的运动,3.6,3.5,河川径流的形成过程,3.4,3.1 河流、水系和流域,3.1.1 河 流,一、河流定义：降水或由地下涌出地表的水，汇集在地面低洼处，在重力的作用下，经常或周期性地沿着流水本身造成的洼地流动的水流。,河流在我国的称谓很多，较大的称江、河、川、水，较小的称溪、涧、沟、曲等。藏语称藏布，蒙古语称郭勒。,河流所经过的线状凹地称为河谷，又叫河槽、河道。河谷组成上包括以下部分： 河床、河漫

2、滩、谷坡、沙洲、阶地,丽江金沙江北东岸多级阶地地貌,丽江金沙江虎跳峡上游河谷中的江心洲,广东清远地下河,裸露的嘉陵江河床,二、河流的分段,每一条河流都有河源与河口，而较大河流的流程通常按地质地理特征分成上、中、下游三段，即河流共分成五段。,河流分段依据主要有： a、按河槽的纵比降划分； b、按河槽的形态与组成物质划分； c、按地貌形态划分； d、按支流的汇集和河道的弯曲状况及流向,上游： 指紧接河源的河段，常常穿行于深山峡谷之中。, 中游： 指介于上游与下游的河段。,河源：指河流最初具有地表流水形态的地方。,河源的确定标准：河流长度、水量大小、河流弯直和历史习惯。,一般可为溪、泉、冰川、沼泽或

3、湖泊等。因此常常是全流域海拔最高的地方，通常与山地冰川、高原湖泊、沼泽和泉相联系。,特征：河谷窄，呈“V”字形，河床多为基岩或砾石；比降和流速大；侵蚀（下切和溯源侵蚀）强烈，纵断面呈阶梯状，多急流瀑布；流量小；水位变幅大。,特征：河谷展宽，呈“U”字形，河床多为粗砂；比降和流速减小；下切侵蚀减弱而侧蚀显著；流量较大；水位变幅较小。,下游：介于中游与河口的河段。,河口： 河流的终点，即河流与接受水体的结合地段。,特点：河谷宽广,呈“”形，河床多为细砂或淤泥；比降很小；流速也很小；水流侵蚀力弱，淤积显著，多浅滩沙洲和汊河湾道；流量大；水位变幅较小。,接受水体可以是海洋、湖泊、沼泽或上一级河流。在河

4、流的入海、入湖处，因水流分散，流速骤然减小，常有大量泥沙淤积，形成三角洲，因土地肥沃，常成为重要的粮食基地。在干旱地区，由于河水沿途强烈的蒸发和下渗，以致河水全部消失于沙漠之中，没有河口，称为瞎尾河或无尾河，如塔里木河。,入海河流的河口，又称感潮河口，受径流、潮流和盐度三重影响。一般把潮汐影响所及之地作为河口区。河口区可分为河流近口段、河口段和口外海滨三段，如右图所示。从某种意义讲，可以把河流近口段与河口段的分界处视为河流真正意义上的终点。,长江流域水系图,宜昌,湖口,黄河流域水系组成图,河口,孟津,长江三角洲遥感影象图,黄河三角洲遥感影象图,三、河流的分级,流域水系中各种大小不等的沟道与河流

5、，可用河流的级别来表示。河流分级方法主要有两类：,河流分级示意图,一是，从河流水系的研究分析方便考虑，把最靠近河源的细沟作为一级河流，最接近河口的干流作为最高级别的河流，然而，这在具体划分上又存在不同的做法，如下图。,二是，把流域内的干流作为一级河流，汇入干流的大支流作为二级河流，汇入大支流的小支流作为三级河流，如此依次类推。,四、河流特征参数, 河流落差：指河流上、下游两地的高程差。河源与河口的高程差，即为河流的总落差。 某一河段两端的高程差，称之为河段落差。,（1）河流纵断面(纵剖面) 河流的纵断面是与水流方向一致的断面，是指沿河流轴线的河底高程或水面高程的沿程变化。故河流纵断面可分为河槽

6、(底)纵断面(指河底高程的沿程变化)和水面纵断面(水面高程的沿程变化)两种。,河流纵断面图, 河流比降：一般是指河流纵比降，即单位河长的落差，也称坡度。,河流比降有水面比降与河床比降之分，两者不尽相等，但因河床地形起伏变化较大，故在实际工作中多以水面比降代表河流比降。设某河段i的比降为Ji，则 Ji(Zi-Zi-1)Li 式中：Ji 河段i的河底或水面比降，常用以百分率（%）、千分率()表示 Zi、Zi-1 分别为河段i的上、下游断面的水面或河底高程； Li河段i的长度（m）。,（2）河流横断面(横剖面),指河流某处垂直于主流方向河底线与水面线所包围的平面。 不同水位有不同的水面线，其断面面积

7、也不相同。,河流横断面是决定输水能力、流速分布、河流横比降和流量的重要因素。通常河水面不是一个严格的几何平面，而是一个凹凸曲面，存在着横比降。主要原因是由于地转偏向力和弯道离心力作用，使得流速分布不均匀，发生凹凸变形。,河流横断面图, 大断面：是指最大洪水时的水面线与河底线包围的面积。, 过水断面：是指某一时刻水面线与河底线包围的面积。,常用的过水断面形态要素有：过水断面面积F，湿周P（即过水断面上被水浸湿的河槽部分），水面宽度B，平均深度 H，水力半径R（R=F / P），糙度n（指河槽上的泥沙、岩石、植物等对水流阻碍作用的程度,常用糙率系数n表示，可从下表查出）等，这些要素与河流的过水能力

8、有密切的关系。,河槽糙率系数表,深泓线：是指沿流程各断面河床最深点的平面平顺连接线。在通航河道中，深泓线的位置往往就是航道的所在位置。 主流线：为沿流程各断面最大垂线平均流速处的平面平顺连接线。围绕主流线两侧一定宽度内平均单宽流量较大的流带，称为主流带。,在某些河流上，主流带在洪水期往往呈现出浪花翻滚、水流湍急的现象，肉眼可以看得很清楚。主流线通常也叫水流动力轴线，具有“大水趋直，小水趋弯”的倾向。主流线与深泓线，两者在河段中的位置通常相近而不一定重合，但有的河段有时也可能相差很远。,主流线与深泓线位置示意图,（3）河流的深泓线与主流线,河流长度：从河源到河口的长度称为河流长度。河流长度可沿河

9、道深泓线或中轴线在河道地形图上量取。常用L表示，以km计。,量算河长，通常在较大比例尺的地形图上，用曲线计或两脚规量取。量算河长应采用最新资料为好。,世界最长河流为非洲尼罗河，6650km；世界第二长河为南美亚马孙河，长6437km；长江为世界第三长河，长6300km。,由于量算方法和采用的地形图不同，以及河源的选取也有差别，因此同一河流量算出的结果会有较大的出入。,（4）河流的长度与宽度,河流宽度：指河槽两岸间的距离，它随水位变化而变化。,洪、中、枯水河槽示意图,水位常有洪、中、枯水之分，因而河槽宽度相应有洪水河宽、中水河宽和枯水河宽。通常意义下的河宽多指中水河槽宽度，即河道两侧河漫滩滩唇间

10、的距离。,指某河段的实际长度与该河段直线距离之比值。可用下式表示：式中：K为弯曲系数；L为河段实际长度（km）；l为河段的直线长度（km）。河流的弯曲系数K值越大，河段越弯曲，对航运和排洪就越不利。,（5）河流的弯曲系数,下荆江自由河曲极为发育，横向摆幅达2040千米，河弯曲折率平均为3，素有“九曲回肠”之称。,河流侵蚀基准面：指河流在冲刷下切过程中其侵蚀深度并非无限度，往往受某一基面所控制，河流下切到这一基面后侵蚀下切即停止，此平面称为河流侵蚀基准面。 侵蚀基准面可以是能控制河流出口水面高程的各种水面，如海面、湖面、河面等，也可以是能限制河流向纵深方向发展的抗冲岩层的相应水面。这些水面与河流

11、水面的交点称为河流的侵蚀基点(如右图)。河流的冲刷下切幅度受制于侵蚀基点。,（六）河流侵蚀基准面与侵蚀基点,河流侵蚀基准面示意图,河流侵蚀基准面可进一步地分为终极侵蚀基准面和局部侵蚀基准面。,2.1.2 水 系,一、水系定义：指河流从河源到河口沿途接纳众多的支流并形成复杂的干支流网络系统。由干流、各级支流及与河流相通的湖泊、沼泽、水库等组成。,鄱阳湖流域水系及其在长江流域中的位置,水系的名称通常以干流的河名命名；也有用地理区域或把同一地理区域内河性相近的几条河作为综合命名, 河网密度： 水系总长与水系分布面积之比，即单位面积内河道的长度。可用下式表示： D L/ F 式中：D为河网密度（km/

12、km2）；L为河流总长度（km）；F为流域面积（km2）。,二、水系的特征参数,河网密度表示一个地区河网的疏密程度。河网的疏密能综合反映一个地区的自然地理条件，它常随气候、地质、地貌岩石土壤和植被等条件不同而变化。一般地说，在降水量大，地形坡度陡，土壤不易透水的地区，河网密度较大；相反则较小。例如我国东南沿海地区比西北地区河网密度大。, 河系发育系数：,各级支流总长度与干流长度之比。,一级支流总长度与干流长度之比称为一级河网发育系数，二级支流总长度与干流长度之比称为二级河网发育系数，等等。河流的发育系数越大，表明支流长度超过干流长度越多，对径流的调节作用越有利。, 河系不均匀系数：,干流左岸支

13、流总长度和右岸支流总长度之比，表示河系不对称程度。 不均匀系数越大，表明两岸汇入干流的水量越不平衡,水系内湖泊面积或沼泽面积与水系分布面积（流域面积）之比。 由于湖泊或沼泽能调节河水流量，促使河流水量随时间的变化趋于均匀，减少洪水灾害和保证枯水季节用水。因此，湖泊率和沼泽率越大，对径流的调节作用越显著。, 湖泊率和沼泽率：,三、水系的类型,水系的平面形态千奇百异，主要受地质构造、地理条件以及气候因素所影响。常见水系形态可归纳为树枝状水系、扇形水系、羽状水系、平行状水系、格状水系等。,西江水系,海河水系,三江并流,淮河水系,闽江水系,2.1.3 流 域,一、分水岭、分水线和流域,山峰、山脊、鞍部

14、和分水线, 分水岭： 相邻两个流域之间的山岭或高地。降落在分水岭两边的降水沿着两侧的斜坡汇入不同的流域。如秦岭为长江与黄河的分水岭。, 分水线： 指相邻两个水系或流域之间的分界线，是分水岭最高点的连线。降落在分水线两侧的降水分别注入两个流域。, 流 域： 由分水线所包围的河流或湖泊的地面集水区和地下集水区的总和。,流域平面图,流域分水线示意图,流域的地面分水线和地下分水线一般不重合。对于这种情况，将有部分降水渗入地下流到相邻流域而流失，则这种流域称为非闭合流域；若地面分水线和地下分水线重合，全部降水都通过地面径流与地下径流流向该流域出口，此流域称为闭合流域。 通常情况下，可以把流域视为闭合流域

15、。,二、流域特征,流域面积：流域地面分水线和出口断面所包围的面积，在水文上又称集水面积，单位是平方公里。河网密度：流域中干支流总长度和流域面积之比。单位是公里/平方公里。其大小说明水系发育的疏密程度。流域形状：对河流水量变化有明显影响。流域高度：主要影响降水形式和流域内的气温，进而影响流域的水量变化。流域方向或干流方向：对冰雪消融时间有一定的影响。 流域形态指标：包括流域的长度、平均宽度、长宽比、对称性和平均坡度等项。,3.2 河流的水情要素,水情要素是反映河流水文情势及其变化的因子。它主要包括水位、流速、流量、泥沙、水化学、水温和冰情等。通过这些因素反映河流在地理环境中的作用，及其与自然地理

16、环境各组成要素之间的相互关系，也是研究水文规律的基础。,2.2.1 水 位,水位：即水面位置或水面高程，河流水位是指河流某处的水面相对于某一基面的高度。 基面：又叫基准面，是高程的起算面，指高程起算的固定零点。基面可分绝对基面和相对基面。 绝对基面(也称标准基面)：是以某一入海河口的平均海平面为零点。如珠江口基面、吴淞口基面（长江口）、黄海基面等，我国规定统一采用青岛基面。 相对基面（也称测站基面）：是以观测点最枯水位以下0.5-lm处作为零点的基面。相对基面可减少记录和计算工作量，但它与其他水文站的水文资料不具有可比性，故进行全河水文资料整编和水文预报时，必须换算为全河统一的基面。,一、水位

17、的定义与基面,观测水位最简便、常用的方法是在河岸设置水尺，定时读数；水位计自动监测。,自动水位监测计,河岸水尺,二、水位过程线,水位过程线：是指水位随时间变化的曲线。,水位过程线与历时曲线,过程线,最高水位,历时曲线,最低水位,水位历时曲线：是指大于和等于某一数值的水位与其在研究时段中出现的累积天数（历时）所点绘而成的曲线,三、特征水位,在河流水文研究中，通常用到各种特征水位值。 最高水位与最低水位 最高水位指研究时段内水位最高值，有日最高、月最高、历年最高值等。主要用于防洪。平均水位 指研究时段内的水位平均值，有日、月、年、多年平均水位。 平均最高水位与平均最低水位 指历年最高水位的平均值和

18、历年最低水位的平均值。 中水位 指研究时段内，水位历时曲线上历时为50%的水位。如一年逐日水位中的中水位，是指有半数日期高于此值，又有半数日期低于此值的水位。 此外，在防汛工作中，水利部门常根据防洪防汛工作需要，设有防汛水位、警戒水位与保证水位等。,指同一次水位涨落过程中，河流上、下游站位相相同的水位叫相应水位。 相应水位关系曲线的绘制方法是：以纵轴为上游站的水位, 以横轴为下游站的水位，把上下游站相应的水位点绘在坐标纸上，过点 群中心连成的圆滑曲线便成（如下图）。 其作用：可用它做短期水文预报；校验上、下游水位观测成果；用已知站水位插补缺测站水位记录；推求邻近断面未设站的水位变化。,四、相应

19、水位,2.2.2 流 速,河流中水质点在单位时间内移动的距离。,一、概念,二、天然河道中的流速分布,流速,流速在垂线上的分布图,深度, 垂线流速分布：,绝对最大流速一般出现在水面以下水深的0.10.3处；平均流速出现于水深的0.6m处；在水面,由于空气的摩擦阻力,流速较小；在河底，流速趋于零。,受河床的地势倾斜和粗糙程度，以及断面水力条件的影响，天然河道中的流速分布十分复杂。, 断面流速分布：,断面上流速分布可用等流速线表示。等流速线是断面上流速相等各点的连线（如下图）。 断面上流速分布规律： 河底和两岸附近V最小（糙度影响）。 水面流速在岸边最小，向最大水深方向增加。 流速从水底向水面增加（

20、有冰盖时例外）,断面上流速的分布,三、天然河道中的平均流速的计算,在有实测资料时，可根据实测资料求得。在没有实测资料时，可用水力学公式谢才公式计算，即： 式中：v为河道断面平均流速； R为水力半径； i为水面比降；c为谢才系数，它与糙率等因素有关，其数值可用经验公式求得。我国多采用曼宁公式， （n为糙率系数） 谢才公式是根据水流作匀速运动的理论推导而得的。,2.2.3 流 量,流量：指单位时间内通过某过水断面的水量体积。常用Q表示，单位是m3/s。它可用下式表示： Q= Av式中：Q为流量（m3/s）；A为过水断面积（m2）；v为流速（m/s）。,一、流量的概念,流量是河流的最重要特征。为了便

21、于进行水文分析，常把测得的流量资料绘成曲线图。常用的有流量过程线和水位流量关系曲线。,二、流量过程线:,流量：m3/s,流量历时曲线,流量过程线,流量过程线与历时曲线,流量过程线的主要作用是：可反映测站以上流域的径流变化规律；分析流量过程线，相当于对一个流域特征的综合分析研究；根据流量过程线计算某一时段的径流总量和平均流量。,三、水位-流量关系曲线:,（1）水位与流量的关系： 河流水位的变化，从本质上看是河流流量的变化，是流量变化的外部反映和表现；另一方面，流量大小可以通过水位高低反映出来，即二者呈某种函数关系Q=f(H)，水位升高，流量增大。即Q=f(H)呈单调递增函数。,（2）水位流量关系

22、曲线的绘制 以水位为纵坐标，流量为横坐标，将各次施测的流量与相应的水位点绘在坐标纸上，连接通过点群中心的曲线，便是水位流量关系曲线。一般是下凹上凸曲线。,2.2.4 河流泥沙,河流泥沙：是指组成河床和随水流运动的矿物、岩石固体颗粒。,河流泥沙运动的形式可分滚动、滑动、跳跃和悬浮。前三者运动形式的泥沙，称为推移质；悬浮运动的泥沙，称为悬移质。,含沙量：河水中泥沙含量的多少，单位是kg/m3。 输沙率：单位时间内通过一定过水断面的泥沙总量，单位是t/s或kg/s。 输沙量：一定时段内通过一定过水断面的泥沙总量，单位是t或万t。 河流泥沙主要是水流从流域坡面上冲蚀而来。每年从流域地表冲蚀的泥沙量通常

23、用侵蚀模数表示。侵蚀模数是指每km2流域面积上，每年被侵蚀并汇入河流的泥沙重量。单位是万t/(km2)。,河流含沙量的影响因素：河流的补给条件、流域内岩石土壤性质、地形的切割程度、植被覆盖程度的人类活动等。,2.2.5 河水化学,河水化学主要是指河水的化学组成、性质、时空分布变化，以及它们同环境之间的相互关系。 一、天然河水的主要化学成分：HCO32-，SO42-，CI，Ca2+，Na+， Mg2+，K+等离子组成。但在不同河流中，这些离子的比例并不相同。河水中除上述离子外，还有生物有机质、溶解气体（BOD、COD、O2、CO2等）和一些微量元素等。,二、水化学指标： 矿化度：河水中溶解质的含

24、量。以单位体积水中化验到的离子、分子和各种化合物的总量或烘干后残余物的重量表示，称为矿化度G。单位mg/L,矿化度分为四级：低矿化度水：（1000 mg/l)地球上大多数河流属低矿化度和中矿化度水。, 溶解质径流率：单位时间通过河流某断面的溶解质重量，称溶解质径流率或离子径流率Rg单位：g/s，mg/s。 因溶解质在河流断面上变化范围不大，可由下式推求： 式中：Q0为断面平均流量m3/s, 溶解质径流量：某一段时间通过河流某断面的溶解质总量，称为该时段溶解质径流量或离子径流量Wg，单位：T，即, 溶解质径流模数：单位时段内，河流由单位流域面积上带走的溶解质重量。单位：,三、影响河水化学成分和矿

25、化度的因素： 补给水源： 冰川和高山融雪补给为主的河流，由于高山温度低，风化弱，且土壤岩石经常处于湿润状态，长期被洗蚀，所以缺乏易溶性岩类，矿化度低。 季节性融雪补给为主的河流，盐分含量也不多。 占优,以雨水补给为主的河流，矿化度弱高。以地下水补给为主的河流，矿化度较高。 含量较大, 自然地理条件如气候，地质、土壤等影响： 干旱地区蒸发强烈，矿化度高；降雨充沛地区由于地表径流稀释，矿化度低。河水流经易溶岩石或土壤地区，矿化度高，反之较低。 河水穿过大面积石灰岩地区， 含量高,2.2.5 河流水温与冰情,（1）水温影响因素 太阳辐射为水温升高的主要热源 补给水源：雪水补给河流，水温低；雨水补给河

26、流，水温较高。 气温对水温影响,（2）水温变化： 垂线上水温分布具成层特性； 日变、年变； 沿河长变化：a.高山冰雪融水补给河流，水温沿河长逐渐升高；b.由低向高纬流动的河流，水温逐渐降低；相反，水温逐渐升高。,（3） 冰情（三阶段）：结冰、封冻、解冻,2.3 河流的补给,河流的补给也即河流的水源。根据降水形式及其进入河流路径的不同，河流补给可分为: 地表补给： (1)雨水补给 (2)融水补给 ：季节积雪融水补给；永久积雪和冰川融水补给 (3)湖泊和沼泽水补给 地下水补给： (1)潜水补给（冲积层水）； (2)承压水补给（深层地下水） 人工补给,2.3.1 河流的补给类型与及其特点,一、雨水补

27、给类型,分布地区：分布普遍，尤其湿润地区，雨水补给所占比重大。 雨水是全球大多数河流最重要的补给来源，也是我国河流的一种最普遍、最主要的补给来源，尤其东南半壁季风区的河流，雨水补给占绝对优势，秦岭淮河一线以南，青藏高原以东的广大地区，雨水补给一般占年径流量的6080%。,补给时间和补给特征 补给时间：雨水补给时间取决于降雨时间，即主要发生在雨季。因而取决于雨型（夏雨型、冬雨型、年雨型、全年少雨型）。比如，我国大部分地区位处东亚季风区，雨水主要集中在夏、秋雨季，则夏秋雨季河流多处于汛期；相反，冬春旱季处于枯水期。,补给特征,雨水补给的特点，主要决定于降雨量和降雨特性。降雨过程具有不连续性和集中性

28、，使雨水补给也具有间断不连续性和集中性，集中在雨季，其补给过程来得迅速和集中。降雨分配的不均匀性，雨水补给年内、年际变化大。,闽江流域建溪叶坊站1953年雨量、流量综合过程线,二、融水补给类型,（一）季节性积雪融水补给 （1）分布地区：中高纬地带（温带和寒带）和高山地区，我国北方河流尤其东北地区河流，积雪融水补给量占较大比重。,（2）补给时间：主要发生在气温回升的春季。并常常形成春汛，正值桃花盛开时节，故又称“桃汛”、“桃花汛”。,（3）补给特征：积雪融水补给量大小及其变化与流域的积雪量大小和气温变化有关，补给过程具有明显的时间性和连续性。,积雪融化期间，河流水量变化同气温变化相一致，比雨水补

29、给为主的河流水量平稳而有规律。一般地全年有两次流量高峰，即积雪消融造成的春汛和雨水补给造成的夏汛，夏汛为主。,（二）冰雪融水补给,（2）补给时间和补给特点： 补给量及变化与太阳辐射和气温变化一致，补给过程具有连续性和时间性，补给水量比雨水补给稳定，河流水量的年、日变化明显，尤其日变化明显。,新疆的玛纳斯河红嘴山站1956年相对流量过程线,（1）分布地区：高山地区和两极地区，河流多靠永久积雪和冰川融水补给，尤其干旱、半干旱地区和高寒地区，冰雪融水常成为河流的主要补给水源。,三、湖泊沼泽水补给类型,（2）影响因素 湖沼位置：山区湖沼常成为河流的源头，直接决定着河流水量大小。河流中、下游湖泊，既汇集

30、湖区来水，又流出补给干流，增加河流水量。,水量多少：面积越大，深度越深，容水越多，调节作用就越显著。,（3）补给特点一般地，由于湖沼的调节作用，使湖沼水补给的河流，水量变化较均匀，流量过程线较平缓、变幅小。,（1）分布地区：与湖沼分布区一致，分布普遍。,四、地下水补给类型,（1）分布地区：地下水是河流补给的一种普遍形式,（2）补给时间：一般河流全年均有地下水补给，尤其在缺乏地表水补给的枯水季节，河流仍保持着连续不断的水流，称为“基流”，几乎全靠地下水补给来维持，此时河流流量过程实质上是地下水补给过程。,（3）补给特征：稳定、可靠、均匀,浅层地下水又叫冲积层地下水，受外界气候条件影响大，补给水量

31、有明显的季节变化对河水的补给存在双向互补和单向补给关系。,事实上，一般较大的河流，常常是两种或多种形式的补给，称为混合补给。如长江、黄河既有雨水、雪水、冰川水，也有地下水、湖沼水补给。,深层地下水，由于埋藏较深，受气候条件影响小，其补给水量只有年际变化，季节变化不明显，故它是河流最稳定的补给来源。,除了河流的天然补给以外，还可根据人类发展生产的需要而进行人工补给。如我国南水北调工程，将水量多的长江水北调补给水量缺乏的黄河等。,2.3.2 河流水源的定量估计（流量过程线的分割）,一、地表径流与地下径流的分割（基流分割）,（1）平割（水平直线分割法）在洪水流量过程线上找到涨水段的最低点，即起涨点A

32、，由最低点A引一水平直线交退水曲线于B点，AB线以下的水量作为基流（地下水补给），AB线以上作为地面经流。,此法简单易行，当有浅层地下水补给混杂其中时，这种方法就不适用了。,（2）斜割（斜线分割法）,B/,事实上，雨后浅层地下水补给量比雨前有所增加，则地面径流停止点B应比B点高。由起涨点A引斜线到退水段上的地表径流终止点B。AB线以下部分为地下径流补给，AB以上部分为地表径流补给。同理，AB线以下部分为深层地下水补给，而AB与AB之间部分可认为浅层地下水补给。,直线分割法的缺陷：忽视了河水与地下水的水力联系，因而误差较大。但简单易行。,（3）退水曲线法,退水曲线法示意图,指根据标准退水曲线，将

33、流量过程线由两端向内展延地下水退水曲线，退水曲线以下部分即为地下径流部分。,即由起涨点A顺退水趋势延伸到C点，AC段为前次洪水过程的延续。再从地表径流终止点B向前延伸到D点，最后用直线CD将两条退水曲线连接起来，ACDB线以下即为地下水补给。,2.3.3 河流的类型,根据补给水源不同，可分为三类：雨水补给的河流 河流水量随雨量的增减而涨落，径流的年内变化趋势与降水一致。汛期集中在雨季，汛期水量呈现陡涨陡落的变化，常形成峰高、量大的洪水过程，流量过程线呈锯齿状、梳状或双峰状。雨水-融水补给的河流 融水-雨水补给的河流,2.4 河川径流的形成过程,降雨-径流过程概化图,在径流形成中通常将流域蓄渗过

34、程，到形成地面汇流及早期的表层流过程，称做产流过程。坡地汇流与河网汇流合称为流域汇流过程或汇流过程。,1、降雨量；2、降雨强度；3、降雨过程；4、暴雨范围（降雨范围）；5、暴雨中心的移动路径。,2.4.1、降雨阶段(降雨特征对径流过程的影响),2.4.2、流域蓄渗阶段（降雨损失阶段）,1、植被截留及其影响因素；,通常把降雨开始之后，到地表径流产生之前，降雨的截留、下渗、填洼及蒸散发等雨水的耗损过程概化为流域的蓄渗阶段（停蓄阶段）。,W:树冠投影面积截留量;,E:单位面积的蒸发量;,T:时间;,P:雨强(次降雨量);,2、下渗及其影响因素；,3、填洼及其影响因素；,（1）下渗的物理过程及其计算,

35、霍顿公式:,k:土壤的渗透系数;,（2）影响因素: 土壤的渗透性；土壤的前期含水量；降水量和降水强度；地形坡度；植被条件,影响因素：闭合洼地数量、大小有关,水库；堰塘；湖泊；洼地,2.4.3、产流阶段,1、超渗地面径流的产流 机制, In, e, s, f分别为降雨强度，截留率，蒸发率，填洼率，下渗率,指供水与下渗矛盾发生在包气带上界面（地面）的产流机制。,产流条件： 降雨强度要大于下渗能力。,一、产流机制,超渗地面产流示意图,（2）壤中径流的产流机制,发生在非均质或层次性土壤中的透水层和相对不透水层的界面上,产流率：rss=fA-fB,产流条件： 上层有下渗水流（必要条件）； 有比上层下渗能

36、力小的界面（前提条件）； 供水强度要大于下渗强度（充分条件）； 产生临时饱和带，同时要有产生侧向流动的动力条件（充分条件）,（3）地下径流的产流机制,是指包气带较薄、地下水位较高时的地下水产流机制，发生在包气带下界面上。,对均质土层水量平衡有：,对非均质土层水量平衡有：,产流率：rg=fc,产流率：rg=fc-rss,产流条件：与壤中径流相同，只是其界面为包气带的下界面。,（4）饱和地面径流的产流机制,是指表层土壤具有较强透水性情况下的地面产流机制。,控制地面径流发生的并不是上层土层本身的界面和下渗能力，而是其下相对不透水层的界面和下渗能力。,产流率：rsat=i-(rss+fB),产流条件：

37、供水、界面供水强度大于下渗强度及形成饱和积水带。其界面不是地面，而是下层弱透水层的上界面。,产流机制的共同规律,（1）有供水条件； （2）大于下渗率的供水强度； （3）对壤中流和地下径流，还需要在界面上产生临时饱和带；对饱和地面径流，还必须达到表层全层饱和，才具备产流充分条件。 （4）要有侧向运行的动力； （5）都发生在包气带的某些界面上,根据气候条件，可将产流分成超渗产流、蓄满产流以及两者的组合等形式。,二、流域产流方式,指包气带土壤层含水量未达到饱和，而降雨强度i下渗强度f产生地面径流的产流方式。,（一）超渗产流（非饱和产流）,一次降雨过程的产流量：,（二）蓄满产流（饱和产流）,饱和产流量

38、：,R=Rsat + Rss +Rg=P-(Wm-W0 ),Wm饱气带最大蓄水量；W0 降雨前的含水量；,三种类型：其一是包含饱和地面径流、壤中径流和地下径流三种产流机制的类型；其二是饱和地面径流与壤中径流两种机制的类型；其三为饱和地面径流与地下径流两种机制的类型。,蓄满产流和超渗产流的关系,总之，无论哪一种产流方式，总是首先在蓄渗得到满足的地方，局部产流。随着降雨过程的持续进行，产流面积不断扩大，最后达到全流域产流。,2.4.4、汇流阶段,由降雨产生的地表径流、壤中流和地下径流经坡地到溪沟、河系，直到流域出口的过程，称为流域汇流过程。它是降雨径流形成的最终环节。,1、坡地汇流,坡面汇流,壤中

39、汇流,地下水汇流,三种汇流成份就其特性而言，它们之间的量级有大小，过程有缓急，出现时间有先后，历时有长短。 坡地汇流过程起着对各种径流成分在时程上的第一次再分配作用，降雨停止后，坡地汇流还将持续一定时间。,2、河网汇流,河岸调节,河槽调节,河岸调节和河槽调节现象，统称为河网调蓄作用，河网调蓄是对降雨在时程上的又一次再分配，使得流域出口断面的流量过程线比降雨过程线要平缓的多。,2.5 河川径流的变化, 流量Q：单位时间内通过某一断面的水量（m3/s）。径流总量W：T时段内通过某一断面的总水量（m3），W=QT径流深度R：将径流总量（m3）平铺在整个流域面积F（km2） 上所得的水层深度（mm）,

40、 径流模数M：流域出口断面流量（m3/s）与流域面积F（km2）的比值。, 径流系数：某一时段径流深度R与相应降水深度Pi比值。1,2.5.1、径流特征值,练习：（1）某流域面积F=1000 km2 ，多年平均降水量1261.6mm，蒸发系数0.5，求W（年径流总量），Q，R，M，。（2）某闭合流域面积为1000km2，多年平均流量为12m3/s，多年平均蒸发量为380mm。求各径流的特征值？该流域位于干旱地区、湿润地区还是其它地区？,1、年平均径流量2、多年平均径流量 3、正常年径流量,2.5 河川径流的变化,2.5.2 径流的年际变化,一、年径流量的有关概念,二、正常年径流量的计算,一般情

41、况下只要径流序列足够长（一般大于30年），就可以用年径流量的多年平均值代替正常年径流量：,1、资料充分时：,2、资料不足时：采用相关分析法,3、缺乏实测径流资料时：间接推求法,选择参证流域、参证站或选取与径流量有成因联系的参证变量进行相关分析，相关展延系列资料，然后再计算多年平均年径流量。,可以用径流等值线法或经验公式法估算,三、径流的年际变化,径流量的年际变化一般指年径流量年际间的变化幅度和多年变化过程两个方面,长江汉口站和鄱阳湖湖口站流量年际变化过程图,（一）年径流量的年际变化幅度,1、年径流量的变差系数（ Cv ）：,标准差：总体标准差样本标准差,影响年径流Cv值大小的因素主要有年径流量

42、、径流补给来源和流域面积的大小三方面。,2、年径流量的年际极值比：,（二）年径流量的多年变化过程,1、流量资料的概率分析：,（1）作经验频率曲线,1）将多年的年平均流量从大到小排列,2）计算经验频率,3）做频率曲线,（2）理论频率曲线，P-曲线,（3）适线法做频率曲线：根据经验频率点据，找出配合最佳之频率曲线，相应的分布参数为总体分布参数的估计值。,长江汉口站年径流量频率分布图,频率与重现期的概念,当研究暴雨洪水问题时, P（Xx）是暴雨洪水事件发生的频率，其重现期例，当暴雨或洪水频率为1%时，重现期T100年，称此暴雨为百年一遇的暴雨或洪水,当研究枯水问题时P（Xx）是枯水频率，而P（X x

43、）称为保证率，其重现期 ： 例，对于P（X x） 80枯水流量，重现期T5年，称此为五年一遇的枯水流量,或称为保证率为80的流量。,所谓百年一遇的暴雨或洪水，是指大于或等于这样的暴雨或洪水在长时期内平均100年发生一次，而不能认为每隔100年必然遇上一次 。,2、趋势变化：,鄱阳湖湖口站年流量变化趋势图,3、径流变化的阶段性和周期性：,鄱阳湖流域外洲站(a)，梅港站(b)年径流模比系数差积曲线,2.5.2 径流的年内变化,根据一年内河流水情变化特征，可以分成若干个水情特征期，即汛期、平水期、枯水期或冰冻期等。,一、径流的季节分配,二、径流年内变化的表示方法,1、计算各月径流量所占的百分比：,2

44、、径流年内分配不均匀系数（ CVy ）：,3、完全年调节系数（ Cr）：,为各月径流量占年径流的百分比。,V 为调节库容；W 为年径流总量。,2.5.3 特征径流洪水和枯水,一、洪水,大量降水或积雪融水在短时间内汇入河槽，形成的特大径流。,（一）概念：,（二）成因及分类：,暴雨洪水、融雪洪水、溃坝洪水和冰凌洪水等。,（三）影响因素：,主要是天气因素和流域下垫面因素。,（四）洪峰流量的推求,（五）历史洪水的调查,（m3/秒）,二、枯水,（一）概念：,枯水是指长期无雨或少雨，缺少地表径流，河槽水位下降出现较小流量甚至枯竭的现象。,（二）影响枯水径流的因素：,流域蓄水量，流域下垫面条件因素。,W月/

45、W年 5%平均状况:W月/W年=8.33%）,2.6 河水的运动,河水受到重力、地转偏向力、惯性离心力及河床摩阻力的作用。重力是河道水流运动的基本动力。 河道水流除了纵向运动以外还会产生各种形式的环流运动。,一、流体运动的有关概念,（一）均匀流与非均匀流 凡流场中同一条流线各空间点上的流速都相同的流动，称为均匀流; 否则，为非均匀流。,V-流速；R-管径或水力半径；-液体运动粘滞系数。明渠流中，雷诺数Re临300,（二）层流与紊流( laminar flow & turbulent flow),层流-流体运动规则，分层流动互不掺混，质点轨线光滑，流场稳定。,紊流-流体运动极不规则，各部分激烈掺

46、混，质点轨线杂乱无章，流场极不稳定。,由雷诺数判别流动形态:,天然河道中水流多数为紊流，紊流的基本特征是：在流量不变的情况下，流速呈不规则变化。即：实际流速忽大忽小，围绕着平均流速上下跳动，称为流速脉动。任一时刻，流速可以表示为：,U-瞬时流速； -平均流速； -脉动流速。根据实测资料表明，脉动强度的大小自水面向河底增大。,由于存在流速脉动，因此在流速测验时，测速时间要足够长，一般需要在100秒以上。,（一）洪水波的概念 洪水水位的涨落在河槽剖面上形成的波形，称为洪水波。 稳定水面之上叠加的水量，称为波流量。洪水波面上任一点相对于稳定水面的高度，称为洪水波高（BD）；波高随河长而变化，最大波高

47、处为波峰；AC为波长，BC为波前，AB为波后。洪水波水面相对于稳定水面的比降称为附加比降（i): i=ii0；波前为正，波后为负。,二、河水的纵向运动,洪水波示意图,洪水波形状示意图,1、洪水波的推移： 洪水波上任一位相的水位（或流量），在河流下游断面的出现时间总是迟于在上游断面出现的时间。这个时间差，称为洪水波的传播时间（t）。,（二）洪水波的运动,洪水波面上的每一点都处于一定的相对位置（如波峰，波前，波后），称为位相。相对于一定位相的流量称为相应流量。洪水波体上某一位相点沿河道的运动速度，称为该位相点的波速。由于波面各点附加比降是不同的，因此洪水波各位相点的波速各不相同。因此洪水波的运动不

48、是正平移运动。,各站水位过程线,由于洪水波面存在附加比降，使洪水波不同位相点的运动速度不同，造成洪水波的变形（1）展开变形：波长不断加大，波高不断减小，洪峰流量减小。（2）扭曲变形：洪水波前段长度不断减小，比降不断增大；波后段长度逐渐增大，比降逐渐平缓。,2. 洪水波的变形,洪水波运动变形图,（一）环流定义及其作用力,三、河水的环流运动,1、重力：mg,2、惯性离心力：,3、地转偏向力,河水内部不同水层或水团，在重力、惯性离心力，地转偏向力等综合作用下，环绕一定的旋转轴呈螺旋状下移，或是漩涡状运动的水流。 主要作用力有：,螺旋状水流,漩涡状水流,环流是引起河流横向输沙的主要动力，形成河槽形状多

49、样化的主要原因，对泥沙运动和河床演变有重要影响。,（二）环流类型,1、纵轴环流,2、横轴环流,3、斜轴环流,4、竖轴环流,旋转轴呈水平状并基本上与主流方向平行。它多与主流结合在一起，形成螺旋流。,1、纵轴环流,对河道影响：岩质河岸常出现凹岸冲刷，凸岸堆积；沙质河岸，会造成河流改道。,弯道环流示意图,弯道螺旋流 受弯道惯性离心力作用下形成的，是蜿蜒性河段水流结构的主要形式。,复合螺旋流 复合螺旋流发生在较大的顺直河段，由两个或两个以上旋转方向不同的纵轴环流组成，但在各个环流交界面上流向必须相同。,双向环流,边滩形成机理,河道的截弯取直和牛轭湖的形成,旋转轴呈水平状，但与纵向主流垂直,2、横轴环流

50、,发生地方：有挡水建筑的地方；河流纵比降突变的地方。对河道影响：一般造成河床冲刷。,桥墩前横轴环流示意图,拦水堰下游横轴环流示意图,桥墩附近的冲刷,瀑布后缘的冲刷,旋转轴与河流流向有一个夹角，实际是横轴环流的特例。,3、斜轴环流,北碚嘉陵江中的“碚石”,旋转轴成铅直方向，与主流及河底垂直。是相对封闭的回旋流。,4、竖轴环流（漩涡流）,发生地方：河道突然拓展的地方；洪水时的凹岸撇弯现象形成的回流。对河道影响：有时淤积，有时冲刷，取决于环流强度和水流挟沙能力；对于洪水时撇弯形成的环流，一般造成河床淤积。,都江堰二千多年前李冰父子利用河流的曲流原理,修建了都江堰第一个曲流处,利用凹岸和凸岸,设置了鱼